Ученые обнаружили, что один из наиболее хорошо изученных химических процессов в природе, фотосинтез, может работать не совсем так, как мы думали.
Фотосинтез — это процесс, при котором растения, водоросли и некоторые бактерии превращают углекислый газ и воду в кислород и сахара для использования в качестве энергии.
Для этого организмы используют солнечный свет, чтобы окислять или забирать электроны из воды; и восстанавливают или отдают электроны молекулам углекислого газа. Эти химические реакции требуют фотосистем — белковых комплексов, содержащих хлорофилл, пигмент, который поглощает свет и придает листьям растений и водорослям их зеленый цвет — для переноса электронов между различными молекулами.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые впервые использовали новую технику, известную как спектроскопия сверхбыстрого нестационарного поглощения, для изучения того, как фотосинтез работает в масштабе одной квадриллионной доли секунды (0,0000000000000001 секунды).
Сначала они пытались выяснить, как хиноны — кольцеобразные молекулы, которые могут «красть» электроны во время химических процессов, — влияют на фотосинтез. Но вместо этого исследователи обнаружили, что электроны могут высвобождаться из фотосистем намного раньше во время фотосинтеза, чем ученые считали возможным.
«Мы думали, что просто используем новую технику, чтобы подтвердить то, что мы уже знали», — говорит соавтор исследования Дженни Чжан, биохимик, специализирующийся на фотосинтезе. «Вместо этого мы нашли совершенно новый путь и немного раскрыли черный ящик фотосинтеза».
В процессе фотосинтеза используются две фотосистемы: фотосистема I (PSI) и фотосистема II (PSII). PSII в первую очередь предоставляет электроны PSI, забирая их у молекул воды: затем PSI дополнительно возбуждает электроны, прежде чем выпустить их, чтобы в конечном итоге передать их углекислому газу для создания сахаров посредством ряда сложных шагов.
Прошлые исследования показали, что белковые каркасы в PSI и PSII были очень толстыми, что помогало удерживать электроны внутри них, прежде чем они попадут туда, где они нужны.
Но новый метод сверхбыстрой спектроскопии показал, что белковые каркасы оказались более «дырявыми», чем ожидалось, и что часть электронов могла покинуть фотосистемы почти сразу после того, как свет был поглощен хлорофиллом внутри фотосистем. Таким образом, эти электроны могут достигать своих целей быстрее, чем ожидалось.
«Новый путь переноса электронов, который мы обнаружили здесь, совершенно удивителен», — сказала Дженни Чжан. «Мы знали о фотосинтезе не так много, как думали».
Утечка электронов наблюдалась как в изолированных фотосистемах, так и в составе «живых» фотосистем внутри цианобактерий. Это открытие не только переписывает то, что мы знаем о фотосинтезе, но и открывает новые возможности для будущих исследований и биотехнологических приложений.
Ученые считают, что, «взломав» фотосинтез, чтобы высвободить больше электронов на более ранних стадиях, процесс может стать намного более эффективным, что может помочь создавать растения, более устойчивые к солнечному свету, или искусственно воспроизвести их для создания возобновляемых источников энергии для борьбы с изменение климата, говорится в заявлении. Однако, прежде чем это может произойти, необходимо провести гораздо больше исследований.
«Многие ученые пытались извлечь электроны из более раннего этапа фотосинтеза, но сказали, что это невозможно, потому что энергия скрыта в белковом каркасе», — говорит Дженни Чжан. «Тот факт, что мы можем [потенциально] изъять их на более раннем этапе, поразителен».